管道支吊架设计及计算

【文摘】用来支撑管道的构造叫管道支吊架，管道在敷设时

都必需对管子停止固定或支承，固定或支承管子的构件是支吊架.在机电工程里，管道支架是散布广、数量年夜、种类单一的装置工事，同时管道支吊架的设计和装置对管道及其附件施工质量的好坏取决议性作用.如何采用平安闲用、经济合理、整齐美观的管道支吊架是机电装置工程的一个重点.

【关键词】管道安插管道跨距管架剖析管架内力计算

一、 管道的安插

对管道停止合理的深化和安插是管道支吊架设计的前提条件.欲设计平安使用、经济合理、整洁美观的管道支吊架，首先需对管道停止合理的安插，其安插不能不思索以下参数：

1. 管道安插设计应契合各种工艺管道及系统流程的要

求；

2. 管道安插应统筹规划，做到平安牢靠、经济合理、满

足施工、把持、维修等方面的要求，并力图整齐美观；

3. 在确定进出装置（单位）的管道的方位与敷设方式时，

应做到内外协调；

4. 管道宜集中成排安插，成排管道之间的净距（保温管

为保温之间净距）不应小于50mm.

5. 输送介质对间隔、角度、高差等有特殊要求的管道以

及年夜直径管道的安插，应契合设备安插设计的要求，并力图短而直，切勿穿插；

6. 地上的管道宜敷设在管架或管墩上，在管架、管墩上

安插管道时，宜使管架或管墩所受的垂直荷载、水平荷载平衡；

7. 管道安插应使管道系统具有需要的柔性，在担保管道

柔性及管道对设备、机泵管口作用力和力矩不超越过允许值的惰况下，应使管道最短，组成件最少；

8. 应在管道规划的同时思索其支承点设置，并尽量将管

道安插在距牢靠支撑点最近处，但管道外概略距修建物的最小净距不应小于100mm，同时应尽量思索应用管道的自然形状到达自行赔偿；

9. 管道安插宜做到“步步高”或“步步低”，增加气袋

或液袋.不成避免时应依据把持、检修要求设置放空、放净.

二、 管架跨距

管架的跨距的年夜小直接决议着管架的数量.跨距太小造成管架过密，管架数量增多，费用增高，故需在担保管道平安和正常运行的前提下，尽能够增年夜管道的跨距，降低工程费用.然则管架跨距又受管道材质、截面刚度、管道其它作用何载和允许挠度等的影响，不成能无限的扩展.所以设计

管道的支吊架应先确定管架的最年夜跨距，管架的最年夜允许跨距计算应按强度和刚度两个条件辨别计算，取其小值作为推荐的最年夜允许跨距.

1. 按强度条件计算的管架最年夜跨距的计算公式：

Lmax——管架最年夜允许跨距（m）

q——管道长度计算荷载（N/m）,q=管材重+保温重+附减轻

W——管道截面抗弯系数（cm3）

[δ]t 钢管许用应力——钢管许用应力（N/mm2）

2. 按刚度条件计算的管架最年夜跨距的计算公式：

Lmax——管架最年夜允许跨距（m）

q——管道长度计算荷载（N/m）,q=管材重+保温重+附减轻

Et——刚性弹性模量（N/mm2） I——管道截面惯性矩（cm4）

3. 例：采用

48K的离心玻璃棉保温，保温厚度为50mm

的冷冻水管，其管道规格为φ325×8无缝钢管，其最年夜允许管道间距为多少？ 管道长度荷载

q=7850×3.14×0.008×(0.325-0.008)

+1000×3.14×(0.325-0.008×2)2/4+48×3.14×0.05×(0.325+0.05)=/m=1402.90 N/m

查相关资料得：

管道截面抗弯系数W=616 cm3 钢管许用应力[δ]t =112

管道截面惯性矩I=10016 cm4 刚性弹性模量Et=2.1×105 N/mm2

依据以上公式辨别计算得强度条件下的Lmax1= 依据以上公式辨别计算得刚度条件下的Lmax2= 取最小值，故该管道的最年夜允许管道间距为

4. 依据相关标准规则的管道支吊架最年夜间距确定管道

最年夜允许跨度，如《通风与空调工程施工质量验收标准》GB50243-2002

表 钢管道支、吊架的最年夜间距

公称直径15 20 25 32 40 50 70 80 100 125 150 200 250 300 （mm） 支架L1 的最L2 年夜对年夜于300（mm）的管道可参考300（mm）管道 间距（m） 注：1适用于任务压力不年夜于2.0MPA，不保温或保温资料密度不年夜于200kg/m3的管道系统. 2 L1用于保温管道，L2用于不保温管道. 三、 管架剖析

1. 管道支吊架介绍

用来支撑管道的构造叫管道支吊架，管道在敷设时都必需对管道停止固定或支撑，固定或支撑管子的构件是支吊架.管道支吊架一般由管座、管架柱或管架吊杆（简称柱或吊杆）、管架梁（简称梁）和支撑节点组成.

2. 管架荷载剖析 （1） 垂直荷载

管道支吊架垂直荷载依据性质可分为根本垂直荷载和可变垂直荷载，其中根本垂直荷载指管道支吊架所接受的管道重力、介质重力、保温层等附件的重力等永久性荷载.可变垂直荷载指管道所接受的活荷载、沉积物重力和发作地动时所应该接受的特殊变卦的荷载.因可变垂直荷载是无法准确计算的，为此我们将管道支吊架的根本垂直荷载乘以一个经历系数（一般为1.2~1.4）作为管架垂直方向的计算荷载.

管道支吊架根本垂直荷载计算，可先将复杂的管道支架体系近似的看作简支梁，依据受力剖析，管架B所接受的根本垂直荷载为GB‘=(GL1+ GL1)/2

因管道支吊架在一个工程里数量种类单一，不成能一一计算，为此我们只需思索同类型支架的最倒霉受力状况即可，依据管道支吊架的最年夜允许跨度来计算最倒霉支架，此时就只需计算长度为最年夜允许跨度L的管道、介质、保温层的重力GB即可.

其重力方向的计算荷载为G=αGB（α=1.2~1.4）

（2） 水平荷载

管道水平方向的荷载是作用在管架上的水平推力，依据支架类型可分为活动管架上的水平推力和固定管架上的水平推力.

a.活动管架水平推力主要来自管道摩擦力，吊杆水平推力可疏忽；

水平推力即为管道摩擦力f=μG （μ为摩擦系数，G为管道垂直荷载）

b.固定支架的水平推力主要来自赔偿器的弹性变形力.

采用赔偿器赔偿的管道，其作用在固定管架上的水平推力为赔偿器被压缩或拉伸所发作的反弹力.

水平推力=赔偿器反弹力T=ηΔL （η为赔偿器的弹性模量，ΔL为赔偿器发作的变形长度）

采用自然赔偿的管道，是应用管道的自然弯曲形状所具有的柔性以赔偿管道的热胀和冷缩位移，如图所示.

固定支架变形管道长度为L，赔偿臂管道长为Lb

管道装置温度按t1℃思索，管道任务温度为t2℃，故钢管材质的管道会在温度变卦下缩短ΔL=α×ΔT×L (式中α为钢管的线膨胀系数，ΔT为温差，L为固定支架变形管道长度)

故作用在管道赔偿上的推力为T=3ΔLEI/Lb3 （E为管道的弹性模量，I为管道的惯性矩）

四、 管架受力计算示例

依据以上管架的受力剖析，现以上海环球金融中心低区空调水主干管停止剖析计算

如下图所示，现有2根DN400冷水管，管材为无缝钢管φ426×9，任务温度为7-14℃；2根DN200热水管，管材为无缝钢管φ219×6，任务温度为50-55℃，1根DN100蒸汽管道，管材为无缝钢管φ108×5，任务温度为108℃，请对该管组的防晃支架停止受力剖析.

依据标准，因DN100的管架最年夜跨距为5m，故该管组设置的共用支架最年夜跨距为5m，由此依据最倒霉情况支架间距为5m剖析管架的受力.

1. 管道垂直方向的计算荷载计算

(1)DN400单根管道作用在管架上的计算荷载

DN400单根管道垂直方向的根本荷载（支吊架间距为5米）

钢管重量＝

7850×(0.426-0.008)×0.008×5×3.14×9.8=4039N

保温重量＝

48×(0.426+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=176N

单根管段计算荷载＝（钢管重量+保温重量+介质重量）×1.35 （思索35％可变荷载.）

单根DN400冷水管道计算荷载G400＝

（4039+176+6466）×1.35＝14420N

(2)DN200单根管道作用在管架上的计算荷载

DN200单根管道垂直方向的根本荷载（支吊架间距为5米）

钢管重量＝

7850×(0.219-0.006)×0.006×5×3.14×9.8=1544N

保温重量＝

48×(0.219+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=100N

单根管段计算荷载＝（钢管重量+保温重量+介质重量）×1.35 （思索35％可变荷载.）

单根DN200热水管道计算荷载G200＝（1544+100+1649）×1.35＝4446N

(3)DN100单根管道作用在管架上的计算荷载

DN100单根管道垂直方向的根本荷载（支吊架间距为5米）

钢管重量＝

7850×(0.108-0.005)×0.005×5×3.14×9.8=623N

保温重量＝

48×(0.108+0.05)×0.05×5×3.14×9.8=59N

介质重量＝

1000×(0.108-0.005×2)2×5×3.14×9.8/4=370N （思索蒸汽管道水压试验时管道内介质的重量.）

单根管段计算荷载＝（钢管重量+保温重量+介质重量）×1.35 （思索35％可变荷载.）

单根DN100蒸汽管道计算荷载G100＝（623+59+370）×1.35＝1421N

2. 管道水平方向的计算荷载

由于该管架为活动支架，所以管架水平方向的受力为管道在管架上滑动摩擦力.

DN400管道的水平推力

T400=f400=μG400=0.3×14420=4326N

DN200管道的水平推力

T200=f200=μG200=0.3×4446=1334N

DN400管道的水平推力 T100=0

3. 管架受力平面图

五、 管架梁选型

依据管架梁的受力剖析，管架梁在管道重力下或在管道推力作用下，有能够呈现2种现象，一是管架梁会沿着受力方向被剪断，另一种是管架梁会沿着受力方向发作过年夜弯曲变形，严重的会发作弯曲折断.所以合理的选择管架梁就是使管架梁能刚好满足梁的抗弯和抗剪要求.

1. 管架梁内力剖析

将管架假定为刚性构造的简支梁，辨别依据管架梁的垂直受力和水平受力情况，依照平面简支梁停止内力剖析，并

依据静力方程求得管架梁的内力，并绘制梁的剪力图和弯矩图，求出最年夜剪力和最年夜弯矩.

依据以上示例管架受力剖析得

失掉管架梁垂直方向的最年夜弯矩为17715N·m，最年夜剪力为24843N

管架梁水平方向的最年夜弯矩为3155N·m，最年夜

剪力为5521N

2. 管架梁选型

(1)管架梁抗弯强度计算

管架梁的最年夜弯矩计算得出后，依据以下公式对管架梁的资料规格型号停止选择：

Mx、My——所验算梁截面绕X轴和绕Y轴的最年夜弯矩（N·m）

Wnx、Wny——所验算梁截面对X轴和对Y轴的

截面系数（cm3）

σ——钢材的抗拉强度，一般型钢钢材取

210MPa

采用验算法将初步估量型钢规格所对应的截面系数代入以上公式停止验算，满足该方程的型钢可作为管架梁的备选资料.现仍将以上示例管架为例，依据管架梁的最年夜弯矩，对管架梁的资料停止选型：

管架梁选型计算表

序号 资料名称规格 1.5MxX轴方向Y轴方向rW xnx最年夜弯最年夜弯X轴方向矩Y轴方向矩 1.5MyryWny 1.5Mx1.5MyrxWnxryWny截面系数截面系数Wnx(cm3) Wny(cm3) Mx(N.m) My(N.m) 型钢比重 0.85×210 比拟 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 角钢200×16 角钢200×18 槽钢280a 槽钢280c 工字钢22b 工字钢25a H型钢 125×125×6.5×9 H型钢 150×150×7×10 角钢160×14 背面拼装 20a槽钢背面拼装 17715 17715 17715 17715 17715 17715 17715 17715 17715 17715 163 182 340 393 325 402 136 221 3155 3155 3155 3155 3155 3155 3155 3155 3155 3155 163 182 155.26 27.65 139.05 24.76 182.91 163.81 不满足 不满足 不满足 满足 不满足 满足 不满足 满足 满足 满足 74.43 126.25 200.68 64.39 111.84 176.23 77.87 105.55 183.42 62.95 93.32 186.08 95.90 114.51 60.10 139.13 24.78 71.09 93.12 156.27 281.98 174.61 163.90 164.21 47 75 356 由管架梁选型计算表得出，角钢200×18、槽钢280c、工字钢25a、H型钢150×150×7×10或2根角钢160×14背面拼装、2根20a槽钢背面拼装均满足弯矩承重要求，因H型钢150×150×7×10比重最小，从经济方面我们暂定H型钢150×150×7×10作为管架梁.

(2)管架梁抗剪强度校验

依据管架梁的抗弯强度计算所选出的支架，还需检验其是否满足管架梁的剪切要求.参照如下公式对管道所接受的剪力停止校验.

式中：τ——抗剪强度

Vx、Vy——梁所接受的X轴方向、Y轴方向的最

年夜剪力（N）

S——梁截面面积（m2）

σv——钢材的抗拉强度，一般型钢钢材取

160MPa

参照以上示例对所选择的管架梁停止抗剪校验 故改型钢满足抗剪要求，所以管架梁采用H型钢150×150×7×10.

六、 管架柱选型

依据管架梁的受力剖析，为满足管架梁所受管道重力和水平推立的平衡，管架柱（或吊杆）给予管架梁一个支反力来维持管架梁及梁上各管道的平衡.我们由此梁的支反力对管架柱（或吊杆）停止选型.依据剖析，管架柱的受力有2个，一个是垂直方向的拉力（或压力），另一个是水平方向的推力.

1. 管架柱的横截面计算公式

S=1.5R/(0.85σ) 式中S为管架柱的最小截面积，R为管架柱竖直方向的拉力或压力，σ为钢材的抗拉强度，一般型钢钢材取210MPa

所以以上示例中管架柱的最小横截面积为 S=1.5×21843/(0.85×210)=184mm2

2. 管架柱弯曲计算

F——管架梁作用给管架柱的水平支座反力N

h——管架梁间隔支撑点的高度

W——管架柱的最小截面系数（cm3） σ——钢材的抗拉强度，一般型钢钢材取

210MPa

所以以上示例中管架柱的最小截面系数为 W=1.5×5521×1/(0.85×1.05×210)=44 cm3 查型钢规格表，使所选择的型钢横截面积年夜于184mm2，同时其截面系数又必需年夜于44cm3，我们为了管道支架的整体协调，管架柱也和管架梁采用同规格的H型钢150×150×7×10.